In een belangrijke doorbraak hebben natuurkundigen ontdekt dat de fundamentele bouwstenen van materie – atomen gekleed met laserlicht – unieke interacties kunnen vertonen die in hun natuurlijke staat niet worden waargenomen. Deze ontdekking, gerapporteerd in het tijdschrift Nature Physics, maakt de weg vrij voor mogelijke toepassingen in kwantumcomputers en de verkenning van fundamentele deeltjes die bekend staan ​​als axionen.

Wanneer atomen interageren met laserlicht, worden ze 'aangekleed' met fotonen, waardoor quasideeltjes ontstaan ​​die bekend staan ​​als aangeklede atomen of 'aangeklede toestanden'. Deze aangeklede atomen bezitten veranderde eigenschappen, waaronder gewijzigde energieniveaus en interacties.

Het onderzoeksteam, geleid door natuurkundigen van de Universiteit van Basel, het Max Planck Instituut voor Quantum Optics en het Zwitserse Nanoscience Instituut, voerde nauwkeurige metingen uit aan gevangen cesiumatomen die werden verlicht met laserlicht. Door de frequentie, intensiteit en polarisatie van de laser zorgvuldig te controleren, observeerden ze de opkomst van nieuwe atoom-atoominteracties, gemedieerd door de laserfotonen.

Verrassend genoeg waren deze interacties afhankelijk van de specifieke eigenschappen van het laserlicht. De onderzoekers ontdekten bijvoorbeeld dat de aangeklede atomen afstotende of aantrekkende krachten konden vertonen, afhankelijk van de polarisatie en ontstemming van de laser (frequentieverschil tussen de laser en de atomaire overgang).

"Onze resultaten laten zien dat licht niet alleen de interne structuur van atomen kan manipuleren, maar ook hun interacties met elkaar", zegt Dr. Lukas Bruder, onderzoeker aan de Universiteit van Basel en het Max Planck Instituut voor Quantum Optics. "Dit opent nieuwe wegen voor het ontwerpen van kwantumsystemen met op maat gemaakte interacties, die relevant kunnen zijn voor kwantumsimulaties en kwantuminformatieverwerking."

Verder onderzocht het team de mogelijke toepassingen van aangeklede atomen bij het zoeken naar axionen, hypothetische deeltjes die kandidaten zijn voor donkere materie. Er wordt voorspeld dat axionen een interactie aangaan met fotonen, en de unieke eigenschappen van aangeklede atomen zouden de gevoeligheid van axiondetectie-experimenten kunnen vergroten.

"De gemodificeerde atoom-atoominteracties in aangeklede atomen zouden een nieuw platform kunnen bieden voor axiononderzoeken", zegt professor dr. Philipp Treutlein van de Universiteit van Basel. "Onze bevindingen zouden toekomstige experimenten kunnen inspireren die zijn ontworpen om axionen direct te detecteren en licht te werpen op de aard van donkere materie."

De studie benadrukt de rijke fysica en mogelijke toepassingen van aangeklede atomen op verschillende gebieden, waaronder kwantumsimulatie, kwantuminformatieverwerking en de verkenning van fundamentele deeltjes. Verder onderzoek op dit gebied zou nog opmerkelijkere verschijnselen en inzichten in de kwantumwereld kunnen blootleggen.